12. Электронные счетчики активной энергии

Электронные приборы для измерения мощности - электрон­ные ваттметры могут быть построены на основе измерительного преобразователя мощности в напряжение, на выходе которого устанавливается магнитоэлектрический измерительный меха­низм со шкалой, градуированной в единицах мощности. В настоя­щее время выпускаются измерительные преобразователи актив­ной, реактивной и полной мощности переменного тока, которые предназначены для работы как в однофазных, так и трехфазных цепях. Принципы построения этих преобразователей во многом схожи. Рассмотрим основные способы построения преобразовате­лей активной мощности.

В основе работы преобразователей активной мощности лежит реализация зависимости

,

где Р - измеряемая мощность;

Т - период тока i и напряжения и на нагрузке.

Отсюда следует, что необходимым элементом преобразователя является устройство перемножения величин и и i В зависимости от спосо­ба получения произведения и и i имеются параметрические и мо­дуляционные множительные устройства МУ.

Параметрические множительные устройства могут быть с прямым и косвенным перемножением. При прямом перемноже­нии используется четырехполюсник, на вход которого подается одна величина (например, и), а вторая величина (i) управляет коэффициентом его передачи. В этом случае выходной сигнал четырехполюсника пропорционален произведению ui. На этой основе построен преобразователь, представленный на рис. 12.1, а, где ОУ — операционный усилитель; R — резистор постоянного сопротивления; R_y — резистор, управляемый током, сопротивле­ние которого R_y = ki (например, полевой транзистор), УУ — устройство усреднения. Выходной сигнал операционного усилите­ля u_в = uR_y/R = uik/R.

Устройство усреднения, например фильтр нижних частот или электромеханический измерительный механизм, должно иметь большую постоянную времени. Поэтому для напряжения U_вых справедливо соотношение

.

Если напряжение U_вык подается на магнитоэлектрический измерительный механизм, то угол отклонения подвижной части α = S_UU_вых = (S_Uk/R)P, где S_U — чувстви­тельность по напряжению измерительного механизма.

а)

б)

в)

г)

Рис. 12.1. Структурные схемы (а — в) и временные диаграммы сигналов (г) преобразователей мощности в напряжение

Параметрические множительные устройства могут быть по­строены с использованием косвенных способов умножения. Так, на основании зависимости 4u₁u₂= (u₁ + и₂)²— (u₁ — u₂)² постро­ен преобразователь, структурная схема которого показана на рис. 12.1, б, где П — преобразователь тока в напряжение: u_i = ki; ФП₁, ФП₂ — функциональные преобразователи (квадратирующие устройства), осуществляющие математическую операцию “возведение в квадрат”, соответ­ственно суммы и разности входных напряжений; ВУ — вычитающее устройство.

В итоги на выходе блока УУ формируется напряжение:

.

В таких схемах операция умножения заменяется более простой операцией возведения в степень, которая может быть реализована с помощью некоторых элементов (полупроводниковых и вакуумных диодов, Полупроводниковых резисторов и транзисторов и др.), имеющих квадратичную вольт-амперную характеристику. Нашли также применение квадратирующиё устройства на основе кусочно-линейной аппроксимации параболы, выполненные на диодах и резисторах.

Наиболее точными являются модуляционные множительные устройства, основанные на двойной модуляции импульсных сиг­налов. Используются различные виды модуляции, среди которых наибольшее распространение получила широтно-импульсная и амплитудно-импульсная модуляция (ШИМ — АИМ). На рис. 12.1., в показана структурная схема преобразователя с ШИМ—АИМ, а на рис. 12.1., г — временная диаграмма, поясняю­щая принцип его работы. Генератор Г вырабатывает прямоугольные двухполярные импульсы с постоянными амплитудой А, периодом T₀ и длительностями положительной (t₁) и отрицательной (t₂ = t₁) полуволн. Среднее значение напряжения на выходе генера­тора равно нулю. В широтном модуляторе ШМ длительность импульсов под действием тока i изменяется по зависимости (t₁ — t₂)/T₀ = ∆t/To = k_шi, где ∆t = t₁ — t_2, k_ш — коэффициент преоб­разования ШМ. Среднее за период T₀ значение напряжения импульса на выходе ШМ будет . В амплитуд­ном модуляторе AM амплитуда А этих импульсов модулируется пропорционально входному напряжению A = k_au, где k_a — ко­эффициент преобразования AM. Тогда , т. е. среднее за период Т_о значение напряжения на выходе AM пропорциональ­но мгновенному значению измеряемой мощности.

Напряжение на выходе устройства усреднения

,

где Т — период изменения тока i и напряжения и.

Электронные счетчики активной энергии строятся на основе преобразователя мощности с последующим интегрированием его выходной величины в соответствии с зависимостью

.

Одна из возможных структурных схем такого счетчика показана на рис. 12.2, где ПМН — преобразователь мощности в напряже­ние, представленный на рис. 12.1.,в; ПНЧ — преобразователь напряжения в частоту; СИ — счетчик импульсов. Как было пока­зано, Uвых пропорционально активной мощности Р. С помощью ПНЧ напряжение U_вых преобразуется в частоту f импульсов, которая, таким образом, пропорциональна мощности Р. Выход­ные импульсы ПНЧ подсчитываются (интегрируются) счетчиком импульсов СИ. Следовательно, показания СИ пропорциональны активной энергии W.

Рис. 12.2. Структурная схема электронного счетчика активной энергии

Серийно выпускаемые в настоящее время электронные счет­чики активной энергии переменного тока имеют класс точности 0,2 — 2,5. Так счетчик САЗУ-И670Д, рассчитанный на номиналь­ные токи 5 и 10 А и напряжения 220 и 380 В, имеет класс точно­сти 2,0.

Применяют электронные счетчики постоянного тока: счетчики киловатт-часов, счетчики ампер-часов и счетчики вольт-часов. Счетчики ампер-часов и вольт-часов строятся на основе преобра­зователей тока в частоту или напряжения в частоту с последу­ющим счетом импульсов.

Промышленностью выпускаются счетчики ампер-часов типа СА-Ф603П класса 1,0 на номинальные токи от 6 до 7500А и счет­чики вольт-часов типа СВ-Ф605 класса точности 0,2 на номиналь­ные напряжения 6, 24, 100, 400 В.